鄱阳湖生态经济区沼肥养分及重金属状况研究

黎鑫林，熊忠华，刘 勇，付永琦，刘德春，钟 瑾

(江西农业大学 农学院，江西 南昌 330045)

建设鄱阳湖生态经济区是江西省首个国家战略层面的区域性发展规划，为实现科学发展、绿色崛起之目标，必须发展生态循环经济，其中大力开发利用该地区以畜禽养殖粪污为主的生物质能源是关键所在［1］。生猪养殖业是江西省传统优势产业，其中鄱阳湖生态经济区生猪常年饲养量达1 500余万头，是全国重要的生猪供应基地［2］。然而，随着该区养猪业的快速发展和生猪生产的规模化程度不断提高，每年产生的猪粪便达3 000余万t，并且大多数未被资源化利用并随意排放，对生态环境造成很大污染，严重制约我省畜禽业的良性发展［1，3］。

畜禽粪便如何应用关乎环境安全和畜牧业的可持续发展，其中畜禽粪便农用是最直接有效的利用途径。合理施用畜禽粪便可提高土壤肥力，实现养分再循环，并起到减少化肥用量和保护生态环境的重要作用［4］。为解决养猪业快速发展带来的资源与环境问题，近年来江西把加速沼气建设作为推进生猪绿色生态养殖和发展以畜禽粪便资源化利用为核心的循环农业的重要举措，全省已建成户用沼气池达160 万个，建设规模养殖沼气工程近2 000处［5］。沼肥(包括沼液与沼渣)是畜禽粪便和农作物秸秆经过沼气池厌氧发酵后产生的残留物，是一种优质的有机肥料，既含有作物生长必须的氮、磷、钾大量元素，又含有锌、铁等多种微量元素，具有养分齐全、速缓兼备的特点。随着我省生猪规模化养殖与沼气工程建设的快速发展，也随之产生了大量的沼肥资源。

20 世纪90 年代初，农业部农业技术推广中心对全国范围内的畜禽粪便资源养分含量状况进行了调查和分析［6］，对指导其合理施用起到了重要作用。但是，随着畜禽集约化养殖的迅速发展，以及高蛋白饲料和添加剂的广泛使用，使得沼肥基本营养成分和以重金属为主的有害物质的含量发生明显变化［7-8］。当沼肥施入土壤后，有害重金属会被作物吸收并进入食物链，继而在农业环境中积累，存在污染农产品和环境的重大风险［9］。因此，近年来国内已有多家单位先后对重庆市、山东省、福建省等地的沼肥养分和重金属含量进行了分析［8，10-11］，但是对全国重要生猪养殖基地“鄱阳湖生态经济区”的沼肥中营养成分与有害重金属状况的相关研究尚未见报道。这也揭示出当前江西普遍存在畜禽养殖和作物种植严重脱节，沼肥利用方式粗放以及缺乏必要的理论指导等突出问题。

为了更加安全、合理地利用我省猪场粪便这一巨大的有机肥资源，本文对鄱阳湖生态经济区4 个典型生猪养殖县市采集的沼肥样品的基本理化性状、养分物质、重金属含量及其污染状况等进行分析和评价，旨在为深入研究沼肥的科学合理使用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 沼液、沼渣样品的采集

于2013 年4～6 月在鄱阳湖生态经济区具有代表性的进贤、新余、新干、万年4 县市的养猪场取样。沼渣取样方法:用抽渣器抽取200～500 g 沼渣用于检测营养成分，另抽取500～1 000 g 沼渣用于测定重金属含量。沼液取样方法:对水压间进行搅拌并在离液面30～50 cm 处吸取200～500 mL 沼液用于检测营养成分，另取1 000～1 500 mL 沼液用于测定重金属含量［8］。其中，新干沼肥样品取自小户型沼气池，其余3 地沼肥样品均取自大型干湿分离型沼气池。

1.2 测定方法

沼液、沼渣pH 值、有机质、干物质、大量养分元素按常规分析方法测定［11］;重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Cr 用原子吸收分光光度法测定，As 用二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法测定［12］。

1.3 数据处理

数据结果采用Excel 2007 和SPSS 17.0 软件进行处理与分析。

2 结果与分析

2.1 沼液基本理化性状和养分物质含量

从表1 可见，所采集的4 个样点沼液样品的pH 值呈中性至弱碱性，在6.97～8.05，其中新干样点pH 值较高，进贤样点pH 值较低。

表1 沼液基本理化性状和大量营养元素含量Tab.1 The basic characters and contents of macro-nutrient elements in the collected slurry

沼液中有机质平均含量为0.10%，并以新余样点和新干样点较高，分别为0.19%和0.13%;进贤样点最低，为0.038%;万年样点略高于进贤样点。沼液全N 平均含量为0.58 g/kg，新余、新干和万年3 个样点的含量相近，而进贤样点的含量不及其他3 个样点的一半。沼液中全P 含量平均为0.11 g/kg，并以新干样点最高，其次为新余样点，而进贤与万年两地的相接近。全K 含量平均为2.56 g/kg，但各样点间差异较大，新余样点高达4.50 g/kg，而进贤样点仅为0.68 g/kg，两者相差6.62 倍，这可能与发酵原料和猪舍冲水量不同有关。

从沼液中N、P、K 三者比例来看，4 样点全P 所占比例较为接近，均不足全N 含量的30%，其中进贤样点全P 所占比例稍高;4 样点全K 所占比例波动较大，其中新余样点的K、N 比高达7.03，其次为万年样点，而进贤与新干样点的K、N 比亦大于2。

总体而言，4 个样点沼液中大量养分元素平均含量为全K＞全N＞全P，且N、P、K 总量均在1.00 g/kg以上，这表明沼液中大量元素含量丰富，可为植物吸收利用提供比较全面的营养。

2.2 沼渣基本理化性状和养分物质含量

由表2 可知，所采集的4 个样点沼渣样品的pH 值呈中性至弱碱性，在6.86～8.20，其中新干样点pH 值较高，新余样点呈中性。并且，沼渣中干物质含量在11.67%～15.41%。

沼渣中有机质平均含量为4.68%，以新余样点最高(5.59%)，其余3 样点差异不明显。大量营养元素中全N 平均含量为4.62 g/kg，且4 个样点变化范围不大，仅万年样点的含量略高(5.39 g/kg)。沼渣中全P 平均含量为7.28 g/kg，但各样点差异较大，新干样点最高达12.73 g/kg，其次为万年样点，进贤样点最低(3.54 g/kg)，这可能由于新干样点采取的是小户型沼气池发酵，其原料、投料比例以及冲水量与大型沼气池有所不同所致。沼渣中全K 平均含量为6.16 g/kg，其顺序为万年＞新余＞进贤＞新干。

从沼渣中N、P、K 3 者比例来看，仅进贤样点全P 所占比例稍低于全N 的比例，其他3 样点全P 的比例均高于全N，且以新干样点的P、N 比最高(2.90);4 样点全K 所占比例均接近或明显高于全N 的比例，其中万年样点的K、N 比较高(1.66)。

从总体上看，沼渣中大量营养元素平均含量全P＞全K＞全N，N、P、K 总量高在1.34%～2.25%，表明沼渣具有丰富的营养成分，可为植物正常生长发育提供充足的养分供给。

表2 沼渣基本理化性状和大量营养元素含量Tab.2 The basic characters and contents of macro-nutrient elements in the collected dregs

2.3 沼液重金属含量及安全状况评价

如表3 所示，4 个样点沼液中重金属平均含量为Pb＞Zn＞Cd＞Cu＞As＞Cr。其中新干样点沼液中重金属平均含量特征与此一致，而进贤、新余与万年3 样点则以Cd＞Zn。并且，新干样点沼液中除Cr 和As外，Cu、Zn、Pb 和Cd 4 种重金属含量均明显高于其他样点;而万年样点沼液中仅Cr 含量明显高于其他样点，Cd 含量略低于平均值，其余4 种重金属含量则明显低于其他样点。

表3 沼液中重金属含量Tab.3 Contents of heavy metals in the collected slurry

此外，Cu 含量以新干样点最高(1.86 mg/L)，万年样点最低(0.041 mg/L)。Zn 与Pb 含量的特征和Cu 含量特征一致。Cr 含量以万年最高(0.011 mg/L)，进贤样点最低(0.001 7 mg/L)。Cd 含量4 个样点平均为2.33 mg/L，其中新干样点高达平均值的1.39倍，新余样点为平均值的1.22倍，万年样点接近平均值，进贤样点大大低于平均值。As 含量4 个样点较为接近，平均值为0.071 mg/L。

目前，我国对沼液中的重金属含量尚无统一的限量标准。参照德国腐熟堆肥标准［13］，将沼液作为腐熟有机肥使用，4 个样点沼液中仅新余、新干和万年3 地的Cd 含量超标1.70～2.16 倍，其他5 种重金属含量均未超标。但是，参比我国农田灌溉水质标准［14］，4 个样点沼液中Pb 和Cd 含量严重超标，其中Pb 含量超标77.60～180.35 倍，Cd 含量超标68.00～324.00 倍;Cu 含量仅新干样点超标1.86 倍，而其它3 个样点均未超标;Zn 含量进贤样点和万年样点未超标准，新余样点略高出标准上限，而新干样点超标4.64 倍;4 个样点的As 含量和Cr 含量均低于标准上限。由此可知，4 个样点的沼液作为肥料使用时，新余、新干和万年3 地的沼液须关注Cd 的积累问题;如以水肥一体化浇灌方式使用，其中Pb 含量和Cd含量均超标严重，且个别样点的Cu 与Zn 含量也存在一定程度的超标现象，需进行有害重金属脱除处理方可于农田或果园灌溉。

2.4 沼渣重金属含量及安全状况评价

表4 结果显示，4 个样点沼渣中重金属的平均含量为Zn＞Cu＞Pb＞Cr＞Cd＞As。进贤、新余和万年3样点沼渣中重金属的平均含量特征与此一致，新干样点则以Cd＞Cr。并且，万年样点Cu、Zn、Cr 和As 4种重金属含量均明显高于其他样点;新干样点Cd 含量明显高于其他样点，Pb 含量与平均含量相接近，全As 含量与最低含量相近，而Cu、Zn 和Cr 3 种重金属含量均明显低于其他样点。

此外，Cu 和Zn 含量特征一致，均表现为万年样点最高，新干样点最低。Pb 含量，万年样点最低，其他3 个样点的相近。Cr 含量4 样点平均为62.98 mg/kg，其中万年样点含量最高为平均值的1.51 倍，新余和新干样点低于平均值。Cd 含量以新干样点最高，达平均值的1.29 倍，进贤与万年两样点相近，新余样点最低。As 含量，进贤和新干两样点明显低于新余和万年两样点。

表4 沼渣中重金属含量Tab.4 Contents of heavy metals in the collected dregs

参照我国有机-无机肥料标准［15］，4 个样点沼渣Cd 含量高出标准上限2.01～6.22 倍，Cr 和As 含量在标准限量之内。虽然我国有机-无机肥料标准中未对Cu、Zn、Pb 含量进行限量，但参照德国腐熟堆肥标准，仅Cr 含量在限量之内，4 个样点沼渣中Cu 超标3.55～18.89 倍，Zn 超标5.33～18.74 倍，Pb 超标1.73～2.53 倍，Cd 超标13.40～41.47 倍，但对As 含量没有规定限量标准。以上结果说明，在生猪规模化养殖条件下，沼渣中重金属超标较为严重，农用时需对其在土壤中积累和向农产品中迁移情况进行持续监测，避免对土壤质量和农产品安全造成威胁。

3 结论与讨论

4 个县市的沼肥样品养分测定结果显示，沼液、沼渣pH 值呈中性至弱碱性，沼液中大量养分元素平均含量为全K＞全N＞全P，沼渣为全P＞全K＞全N。沼液与沼渣中有机质、全N、全P 和全K 的平均含量分别为0.10%、0.58 g/kg、0.11 g/kg、2.56 g/kg 和4.68%、4.62 g/kg、7.28 g/kg、6.16 g/kg。由此可见，沼液与沼渣虽然均含有丰富的营养成分，但前者有机质与大量养分含量均大大低于后者。钟攀等［10］对重庆地区沼肥养分含量研究结果亦表明，沼液全量和水溶性氮磷钾养分平均含量均以K＞N＞P，沼渣则以P 高于N、K，这与本文研究结果基本一致。对于沼液中全K 大大高于全P，而沼渣中全P 与全K 二者含量均较高的现象，可能与沼肥中全P 和全K 含量均较高，但全K 中无机态(离子态)比例较高，而全P 中主要存在形态为枸溶磷和难溶磷，即沼肥中水溶性K 比例远高于水溶性P 的比例，造成沼液中全K含量明显高于全P，而沼渣中则全P 与全K 含量均较高。并且，各样点沼肥中养分含量存在一定差异，其可能与原料、进料量和猪圈冲水量的不同有关［8］。

此外，从沼液与沼渣的N、P、K 比例来看，二者N、P、K 平均比例为1∶0.18∶4.45 和1∶1.58∶1.33。与当前全球N、P、K 平均消费比例(1∶0.35～0.4∶0.3)相比较［16］，可知沼液中全P 所占比例稍低，但全K 的比例明显较高;而沼渣中全P 与全K 的比例均明显高于全N。这一结果表明，沼肥的合理施用可缓解我国农田长期以来因氮、磷、钾肥投入比例不当(重氮、轻磷、施钾少)造成的氮、磷、钾肥增产效应逐渐下降和土壤中的氮、磷、钾比例失调的问题［17-18］。相关研究结果表明，施用沼肥能够增加土壤有机质与N、P、K 等营养元素的含量，达到改良土壤结构，提高土壤肥力和有效补偿农田K 肥亏缺的作用［19］;并且合理施用沼肥后，可均衡供给作物养分，有利于提高作物的产量与改善品质［20-21］。

由于当前规模化畜禽养殖过程中所用饲养添加剂的质量标准不严与管理松散，造成畜禽粪便与堆、厩肥中重金属污染情况较为严重［18］，因而对沼肥适宜用量的确定，既要考虑其养分含量，更须重视沼肥中有害重金属含量状况。本文对4 个样点沼肥中重金属含量测定结果表明，沼液中重金属平均含量为Pb＞Zn＞Cd＞Cu＞As＞Cr，沼渣中重金属的平均含量为Zn＞Cu＞Pb＞Cr＞Cd＞As。对沼肥中重金属安全性评价结果显示，参照德国腐熟堆肥标准，4 样点沼液中仅新余、新干和万年3 地的Cd 含量超标1.70～2.16 倍，其他5 种重金属含量均未超标，这可能与各样点沼肥发酵原料与冲水量等不同有关，例如进贤样点所用猪饲料为自配料，其余3 样点均为全价料。不过，参照我国农田灌溉水质的标准，则4 个样点沼液中Pb 和Cd 含量超标严重。此外，沼渣中重金属含量参比于我国有机无机肥料标准，4 个样点的沼渣中仅Cd 含量超标2.01～6.22 倍;而参照德国腐熟堆肥标准，仅Cr 含量在限量之内，4 个样点沼渣中Cu、Zn、Pb、Cd 含量均超标严重。

沼肥中重金属含量与发酵原料有着密切的联系，随着鄱阳湖生态经济区集约化畜禽养殖业的迅速发展，越来越多的养殖户采用配合饲料养猪，饲料添加剂中的重金属通过猪的新陈代谢后会残留在猪粪中，导致规模化养猪场沼肥中重金属的含量大异于前。相关研究表明，配合饲料中Cu、Zn、Cd、Cr、As 等重金属的含量较高［22］，是沼肥中重金属的主要来源。高红莉［23］对郑州天元生态农业示范园中沼肥重金属状况分析结果表明，Cu、Zn 和Pb 含量分别为32.0、86.5 和9.85 mg/kg。段然等［24］对辽宁昌图、北京留民营、四川绵竹、广西防城港等地区沼肥的分析结果证实，Cu、Zn 含量较高，长期施用沼肥的土壤中Cu、Zn 含量显著高于对照土壤。另有研究显示，Cu、Zn 等微量元素的加入有增加畜禽粪便中重金属含量的风险，进而对土壤、环境及食品安全等构成威胁［25］。艾天等［26］用沼肥和化肥两种施肥方式进行生菜栽培，发现生菜中的As 含量显著高于对照，Pb 含量也高于完全施用化肥处理。因此，在今后沼肥农用过程中须严格控制好沼肥的用量，过多施用将会造成重金属在土壤中的富集，导致农产品污染和威胁人类健康［27］。

为实现沼肥的科学合理使用，在明确沼肥中大量养分含量和重金属状况的基础上，根据农田土壤养分状态、作物种类的不同，来确定在环境承受力以内的适宜沼肥施用量，或者通过将沼肥与化肥以适当的比例配合施用。针对鄱阳湖生态经济区沼肥中有害重金属含量超标的现状，有关部门应在深入调查研究的基础上，制定严格的管理制度和相关法规，控制饲料中重金属的添加量，从源头上治理畜禽粪便中重金属的污染问题。此外，施用沼肥对我省水稻、柑桔和蔬菜等主要作物产量与品质以及对农田土壤环境质量的影响，尚有待于进一步深入研究。

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